平面波导成像装置和方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及一种成像装置和方法，尤其涉及一种平面波导成像装置和方法。
[0003]
【背景技术】
[0004] 目前平面波导成像领域，采用多个平行反射面反射输出大视场的图像由亮变暗， 图像亮度不均一，使人眼不舒服。专利号为US 7576916 B2的文件中描述了采用多个不同入 射角具有不同反射率的反射面来解决图像不均一的问题，但是该设计比较复杂，而且不易 加工，对工艺有严苛的要求，更需要大量的经费投入。
[0005]
【发明内容】
[0006] 为了解决平面波导成像亮度均一性的技术问题，本发明提供了一种平面波导成像 装置和方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明第一方面提供平面波导成像装置，包括： 图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波； 光学准直系统，对图像显示光源发出的显示光波进行准直； 光波耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导； 平面波导衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波； 光波耦合输出面，用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底； 其中，光学准直系统位于图像显示光源和平面波导衬底之间，光波耦合输出面位于平 面波导衬底远离光波親合输入面一侧； 所述光波耦合输出面不止一个，每个光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，η为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面 的能量，Rn为第η个光波耦合输出面的反射率。
[0008] 可选的，所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。
[0009] 可选的，所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。
[0010]可选的，所述光学准直系统为非球面准直透镜。
[0011]本发明的第二方面提供平面波导成像方法，具有以下步骤:发出显示所需图像的 显示光波，对所述显示光波进行准直，将准直的光波耦合进入到平面波导，对耦合进入的光 波进行全反射传播，直至传播到光波耦合输出面，光线在所述光波耦合输出面被反射和折 射，被折射的光线继续传播直至下一个所述光波耦合输出面，被反射的光线被反射输出到 所述平面波导衬底6外成像； 所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，η为光波耦合输出面的次序，T为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底表面 的能量，Rn为第η个光波耦合输出面的反射率。
[0012] 可选的，所述光波耦合输入面的有效通光口径内镀有相应的增透膜。
[0013] 可选的，所述光波耦合输入面的外表面旋涂有相应的反射膜。
[0014] 可选的，采用非球面透镜对所述光波进行准直。
[0015] 本发明的有益技术效果如下： 本发明平面波导输出图像亮度均一性显著改善； 本发明设计和加工较简单，需要投入经费较少； 本发明扩大了视场角，避免激烈运动时看不清楚图像，提高了人眼舒适度； 本发明微型化，适用于穿戴是智能设备，具有很大的应用前景。
[0016]
【附图说明】
[0017] 图1是本发明一实施例平面波导成像装置示意图。
[0018] 图2是本发明一实施例输出图像亮度示意图。
[0019] 图3是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。
[0020] 图4是本发明一实施例输出图像亮度示意图。
[0021] 图5是本发明一实施例光波耦合输出面的反射率和能量曲线示意图。
[0022] 其中，3-图像显示光源;4-光学准直系统;5-光波耦合输入面;6-平面波导衬底;7-光波耦合输出面；31、71_第一光波耦合输出面;32、72_第二光波耦合输出面;33、73_第三 光波親合输出面;34、74-第四光波親合输出面;35、75-第五光波親合输出面。
[0023]
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的解释说明。
[0025]平面波导成像装置，包括： 图像显示光源3，用于发出显示所需图像的显示光波； 光学准直系统4,对图像显示光源3发出的光波进行准直； 光波耦合输入面5，将准直光波耦合进入到平面波导； 光波耦合输出面7，用于视场扩展以及光波耦合输出平面波导衬底6; 其中，光学准直系统4位于图像显示光源3和平面波导衬底6之间，光波耦合输出面7位 于平面波导衬底6远离光波耦合输入面5-侧； 所述光波耦合输出面7不止一个，每个光波耦合输出面7的反射率满足以下公式：
其中，η为光波耦合输出面的次序，Τ为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底6表面 的能量，Rn为第η个光波耦合输出面的反射率。
[0026] 可选的，光波耦合输入面5的有效通光口径内镀有相应的增透膜。
[0027] 可选的，光波耦合输入面5的外表面旋涂有相应的反射膜。
[0028] 可选的，光学准直系统4为非球面准直透镜。
[0029] 平面波导成像方法，具有以下步骤： 发出显示所需图像的光波，对所述光波进行准直，光波耦合输入面5将准直的光波耦合 进入到平面波导，对耦合进入的光波进行全反射传播，直至传播到光波耦合输出面7,光线 在所述光波耦合输出面7被反射和折射，被折射的光线继续传播直至下一个所述光波耦合 输出面7,被反射的光线输出到平面波导衬底6外成像； 所述光波耦合输出面的反射率满足以下公式：
其中，η为光波耦合输出面的次序，Τ为每个光波耦合输出面反射到平面波导衬底6表面 的能量，Rn为第η个光波耦合输出面的反射率。
[0030] 可选的，所述光波耦合输入面5的有效通光口径内镀有相应的增透膜。
[0031] 可选的，所述光波耦合输入面5的外表面旋涂有相应的反射膜。
[0032] 可选的，采用非球面透镜对所述光波进行准直。
[0033] 如图1，图像源3优选LC0S。对于穿透式可穿戴波导光学系统，为了使整体结构变 得更小型化，通常采用微显示器作为图像源3。在可穿戴光学设备中，图像源系统主要提供 观察的图像信息。目前主流的微显示器有〇1^、^^、01^0丄(：05等，不同的显示技术对应不同 的显示要求及应用领域。为了能够在体积上对系统的整体结构进行优化使其趋于微型化， 便携式，再者考虑到光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度的要求和分辨率与尺寸的 限制等因素，采用LC0S作为微显示系统的图像源3。对于硅基液晶LC0S，可根据具体的要求 选择CF-LC0S或CS-LC0S，两者主要在分辨率上存在显著差别，同尺寸CS-LC0S的分辨率通常 高于CF-LC0S的，同时考虑到不同的显示系统反射出的光波的偏振态不同，为了能满足光学 设计和发射设计要求，在图像源前面加偏光片，用于改变来自图像源3的光波的偏振态，虽 然这将导致进入波导显示系统的整体光效降低，但是幸运的是硅基液晶LC0S通过提高照明 光源的亮度可以满足相应的应用要求。
[0034] 光学准直系统4优选非球面透镜。对于可穿戴视网膜技术，人眼作为最终的图形信 息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以满足人眼自由轻松地观看。利用光学球面镜 对图像源3发出的光波进行准直，由于光学系统像差的存在，图像经过透镜以后存在球差、 像散、畸变、场曲、彗差等像差，为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差和球 差矫正，以期达到最终理想的成像效果，否则会影响光学器件系统的最终分辨率，导致人眼 直接观察时的图像质量发生变化，使人眼无法清除的观看到良好的图像信息。由于普通球 面镜在矫正像差时，需要不同材料和曲率的透镜胶合，这将无形中使系统整体的重量和体 积增大。若采用非球面透镜来完成像差的矫正，由于非球面透镜在矫正像差时，单个非球面 透镜即可实现，从而给系统的整体构架以及重量带来很大益处。
[0035] 利用棱镜可以改变光线传播方向的特点，在成像系统中通过棱镜使图像光波从一 个方位传送的另一个所需的位置，这些改变主要利用了镜面反射原理实现。来自光学准直 系统4的光线入射到光波耦合输入面5后，经光波耦合输入面5反射进入平面波导衬底6， 由于采用斜面耦合光波进入平面波导衬底6,可以有效的避免反射光线对原始图像